中国表面工程

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张伟，郭永明，陈永雄

中国表面工程. 2011, 24(6): 1-10.

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再制造产业已列为国家发展战略性新兴产业，热喷涂技术具有喷涂材料广泛、基体形状与尺寸不受限制、涂层厚度容易控制、工艺操作简单、成本低效率高、能赋予零件表面特殊性能等特点，是实现损伤零部件表面尺寸恢复和性能提升的关键技术手段，已成功应用于国防工业、印刷、航空航天、石油化工、矿山机械、电力等领域装备零部件的再制造。文中综述了等离子喷涂、高速火焰喷涂、高速电弧喷涂及其他热喷涂技术的特点及其在再制造领域的典型应用，提出热喷涂技术应用于再制造领域未来的发展趋势主要表现在：加强热喷涂技术在再制造领域的适应性研究、深入复合技术的研究和应用、推动热喷涂技术在高效规模化生产应用中的研究以及加强热喷涂再制造技术标准、工艺规范等方面的研究。

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HVOF热喷WC–Co–Cr涂层在不同攻角下的料浆冲蚀行为

李阳，刘阳，段德莉，李曙

中国表面工程. 2011, 24(6): 11-18.

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用3种高速火焰热喷涂（HVOF）设备将成分相同的6种商品粉末喷涂在0Cr13Ni5Mo不锈钢基材上，制成9种WC-Co-Cr涂层。用自制射流冲蚀试验机对各涂层在15°、45°、75°和90°攻角下的料浆冲蚀行为进行研究，重点分析涂层孔隙和层状结构等缺陷在不同攻角下所起的作用。结果表明：低攻角时涂层冲蚀机制以微切削去除为主，高孔率涂层更易发生切削导致冲蚀率较高；高攻角时涂层冲蚀机制以冲击作用下裂纹萌生扩展导致涂层剥落为主，高孔率涂层有利于对冲击能量的吸收耗散，孔隙抑制裂纹扩展，而层状结构明显的涂层其裂纹更易在层间萌生和扩展，导致涂层呈片状剥落，冲蚀率更高。在试验的基础上提出了考虑缺陷的硬质涂层射流冲蚀模型，并讨论了涂层冲蚀率随攻角变化的双峰值现象。

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Cr₂₃C₆–NiCr涂层制备及其高温氧化行为

周正¹，姚海华¹，高峰²，贺定勇¹，任先京²，蒋建敏¹

中国表面工程. 2011, 24(6): 19-23.

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针对传统高温防护涂层在长期服役环境中可靠性不足等问题，设计了新型Cr₂₃C₆–NiCr金属陶瓷体系，并采用超音速火焰喷涂（High Velocity Oxyfuel Spraying，HVOF）技术制备了相应复合结构涂层。利用XRD、SEM和高温电阻炉等设备，对比研究了其与传统Cr₂₃C₆–NiCr金属陶瓷涂层的微观组织结构特征及高温氧化行为。结果表明，复合涂层具有HVOF喷涂涂层典型的致密层状结构，喷涂过程中无明显相分解或氧化物生成。两种涂层在经过800 ℃循环氧化后具有相似的氧化动力学曲线，表面生成均匀致密的Cr₂O₃钝化膜阻止了氧原子向涂层内部的扩散，起到了较好的隔离防护作用，呈现出较为优异的抗高温氧化性能。

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CVD钨沉积层组织控制

马捷，张永志，魏建忠，蒙丽娟

中国表面工程. 2011, 24(6): 24-27.

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以WF₆和H₂为反应气体，采用间断供应反应气体方法改变CVD钨沉积层显微组织形貌。研究了间断沉积工艺参数对沉积层显微组织及性能的影响，讨论了间断沉积层的表面应力状态及断口裂纹扩展情况。结果表明：采用间断化学气相沉积法钨层的显微组织随周期沉积时间的缩短，柱状晶晶粒长度尺寸变小，形态逐渐接近等轴晶；沉积层表面形貌呈圆球状，沉积层生长界面不再趋向于单一方向；钨层保持了连续CVD钨的高纯度、高密度特性。且采用间断供应反应气体沉积方法显著降低了钨制品表面的残余应力，使裂纹扩展方向发生改变，有效阻碍了裂纹的深入扩展。

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不同气氛下电火花沉积钛合金涂层的组织性能

张二亮，张平，蔡志海，马琳

中国表面工程. 2011, 24(6): 28-34.

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分别在氮气、氩气和空气3种气氛下，在45钢上电火花沉积制备TC4钛合金涂层。利用OM、SEM、EDS、XRD、XPS等对钛合金沉积层的微观形貌、组织结构进行分析；利用纳米力学探针仪测试对比沉积层的力学性能；采用CETR摩擦磨损仪测试涂层的耐磨性。结果表明：氮气下电火花沉积生成含TiN及少量TiO和TiO₂的陶瓷增强层。氮气中制取的涂层微裂纹较明显，但几无坑蚀和微孔，表面形貌优于氩气和空气下的沉积层。纳米硬度高达15.18 GPa，无需增加沉积层厚度，即可获得较高硬度和抗变形能力。其摩擦因数为0.41，磨损量为2.2 mg，均远低于45钢，也低于空气和氩气下制备的普通的钛合金涂层，并且改善了钛合金涂层的粘着磨损。

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热处理对中频感应重熔NiCrBSi涂层抽油光杆性能的影响

田斌¹, 王成彪¹, 胡斌², 岳文¹, 刘家浚³

中国表面工程. 2011, 24(6): 35-40.

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采用火焰热喷涂–中频感应重熔技术在20CrMo抽油光杆基体表面制备NiCrBSi涂层并进行热处理，采用扫描电镜、显微硬度计、X射线应力测试仪、万能试验机和疲劳试验机等仪器，研究了热处理工艺对涂层光杆组织、硬度、表面应力、力学性能和疲劳性能等方面的影响。结果表明，中频感应重熔NiCrBSi涂层的制备和热处理对光杆基材表层组织、硬度和表面应力影响较大，热处理温度对涂层的硬度影响不显著；涂层制备和热处理会显著降低杆体的疲劳性能，重熔处理工艺的抗拉强度最大但塑性指标很差，并在疲劳试验中出现典型脆性断口，高温热处理工艺可以使涂层光杆获得较好的拉伸力学性能；普通20CrMo抽油光杆以磨损、腐蚀和疲劳断裂为主要失效原因，而NiCrBSi涂层/20CrMo光杆疲劳性能的显著降低可能成为其失效的主要原因。

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H13钢RE–N–C–S–V–Nb多元共渗成分优化

庞祖高，单朝军，韦芙丹

中国表面工程. 2011, 24(6): 41-46.

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用RE–N–C–S–V–Nb盐浴多元共渗的方法对H13钢表面进行改性处理，形成了含有钒铌碳氮化物的高性能复合层。以多元共渗渗层厚度和显微硬度作为正交实验的参考指标，对多元共渗配方成分进行优化。根据正交实验中各因素水平对指标的影响结果得到最优的成分为：硼砂盐浴中，稀土含量5%，V₂O₅含量6%，Nb₂O₅含量6%；盐浴回火中，稀土含量1%，CNO_-含量为34%。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对多元共渗层的组成和显微结构进行了分析和研究，结果表明：共渗后试样表面形成了NbN、VN、NbC、V₈C₇等高性能物相和组织，渗层厚度达100～120 μm且组织致密并呈弥散性分布；与常规氮化处理的试样比较，高温氧化增重速率缓慢仅为氮化处理的1/4，微裂纹出现在热疲劳循环2 000次以上。

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占空比对中频磁控溅射（Al,Ti）N周期性多层膜组织与性能的影响

孙丽丽¹，杨会生²，成浩¹，汪爱英¹

中国表面工程. 2011, 24(6): 47-52.

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采用LABVIEW软件控制N₂气体流量，辅助中频磁控溅射制备不同占空比的（Al,Ti）N周期性多层膜，分别利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、纳米硬度仪研究了（Al,Ti）N周期性多层膜的组织结构和力学性能，研究表明：不同占空比下的薄膜只存在面心立方结构，多层膜具有一定的择优取向，择优取向随着占空比的改变而变化，当占空比为50%时，薄膜中存在（111）和（220）两种取向；多层的结构可以提高薄膜的结合强度和力学性能，获得的多层膜硬度最高为33.58 GPa，临界载荷在40 N左右，磨损情况也得到了明显的提高，主要是以粘合磨损为主；氮流量的增加有利于多层膜的性能改善。

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海洋底栖硅藻在电气石涂层上的附着行为

张占平，齐育红，刘德良

中国表面工程. 2011, 24(6): 53-57.

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为了开发新型无毒海洋防污涂料，试验室培养了舟形海洋底栖硅藻，采用叶绿素a值测定、体视显微镜拍照和图像定量分析方法，研究了底栖硅藻在质量分数为2％、3％、5％、10％的四种电气石涂层上的附着行为。结果表明，含2％电气石涂层对底栖硅藻的附着无明显的抑制作用，含3％电气石涂层对底栖硅藻附着的抑制作用最为明显，电气石含量继续增大为5%和10%，其抑制作用逐渐减小。电气石对底栖硅藻在涂层上附着的抑制机理在于，当电气石与海水接触时，使水分子电解，生成羟基负离子，同时电解海水，产生次氯酸钠、Cl₂、HClO和ClO_-等强氧化剂；这些强氧化剂对底栖硅藻具有毒性，从而抑制其生长活性，并阻止其在涂层表面的附着。电气石在新型无毒防污涂料的研发中具有重要的价值。

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Al含量对Zn–Al合金涂层电化学腐蚀行为的影响

朱子新¹，徐滨士²，陈永雄²

中国表面工程. 2011, 24(6): 58-61.

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采用粉芯丝材和高速电弧喷涂技术制备出15.9%Al、21.1%Al和30.1%Al(质量分数)三种不同Al含量的ZnAl涂层，使用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等先进手段观察了涂层的组织特征，并研究了Al含量对Zn–Al涂层在5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为的影响。结果表明，三种ZnAl涂层的组织结构无明显差异，都呈现出典型的层状特征，组织致密，孔隙率均低于3%；三种涂层与基体的平均拉伸结合强度都大于11 MPa，而且随着Al含量的增加涂层结合强度略有增加；随着腐蚀时间的延长，Zn–15.9Al和Zn–21.1Al涂层的自腐蚀电位和腐蚀电流存在波动，而Zn–30.1Al的自腐蚀电位始终正移、腐蚀电流不断降低，耐腐蚀性能更为优异。

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基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

蔡建，杨巍，代伟，柯培玲，汪爱英

中国表面工程. 2011, 24(6): 62-67.

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采用自主研制的45°单弯曲磁过滤阴极电弧沉积系统于Si基体表面制备了四面体非晶碳(ta–C)膜，研究了基体负偏压对薄膜沉积速率、成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明，随基体负偏压升高，ta–C膜sp3键含量呈先增后减的变化趋势，在-50 V时达到最大值（约64%）；其硬度和弹性模量呈相似的变化规律，在-50 V偏压下获得最大值(48.22 GPa和388.52 GPa)。ta–C薄膜的摩擦学性能与其sp3碳杂化键的含量密切相关，在-50 V偏压下制备的薄膜具有最小平均摩擦系数值（0.10）。可见，采用单弯曲磁过滤阴极弧电弧制备ta–C薄膜的力学和摩擦学特性主要受薄膜中sp3键含量的制约。

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纳米添加剂对GCr15/1045钢摩擦磨损性能的影响

李征，王文健，刘启跃

中国表面工程. 2011, 24(6): 68-72.

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随着纳米科技的发展和对纳米材料功能特殊性的认识，纳米材料作为添加剂开始越来越多的应用到机械的润滑和抗磨自修复研究中。文中利用PLINT NENE–7型磨损试验机，以中石油兰州润滑油厂生产的中负荷工业闭式齿轮油L–CKC220作为基础油研究了纳米氮化铝、纳米碳化硅和油溶性纳米铜合金作为添加剂对GCr15/1045钢摩擦副滑动摩擦磨损特性的影响。分析不同纳米材料对摩擦因数曲线、磨斑形貌(SEM)及EDX能谱分析图的影响，结果表明：3种纳米添加剂均能使摩擦副的摩擦因数明显降低；纳米氮化铝和油溶性纳米铜合金作为添加剂具有良好的减摩和抗磨性能，分别使摩擦系数降低33.3%和28.6%，并能非常明显的沉积在摩擦副表面；纳米碳化硅的性能较差。

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再生润滑油理化性能分析与摩擦学性能评价

陈江，王晓丽，许一，徐滨士，张冠楠

中国表面工程. 2011, 24(6): 73-77.

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采用以絮凝分离工艺为主的技术对重载车辆用CD 10W–40废润滑油进行再生处理。对再生润滑油的透光率、黏度、污染度、腐蚀性等理化性能指标进行了测定，采用四球摩擦磨损试验机及扫描电子显微镜对其摩擦学性能进行了评价，并与废润滑油、新润滑油作对比分析。结果表明：再生润滑油的外观为棕黄色，透光率可达89.9%，接近新润滑油的96.7%，100 ℃运动黏度增至14.16 mm²/s，污染度和腐蚀性明显降低；最大无卡咬负荷PB值提高到618 N，摩擦因数及磨斑直径与新润滑油基本接近，再生润滑油的减摩抗磨性能得到了显著改善。使用含有氨基结构的有机絮凝剂达到了较好的再生效果。

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金属晶体间微观滑动摩擦特性的分子动力学模拟

肖乾，穆明，周新建

中国表面工程. 2011, 24(6): 78-82.

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根据独立振子模型的能量耗散机理，以光滑干摩擦接触平面为对象，利用金属晶体的强体积效应特征，构造了简化计算的界面势能模型，分析了在界面摩擦状态下能量非连续耗散过程，建立了简化计算滑动摩擦力与摩擦因数模型。从瞬间原子位置图和系统能量方面，进行计算模拟和试验对比验证，结果表明：当接触界面势能处在某个谷底时，滑块受静摩擦力，界面间发生相对运动，滑块变为受滑动摩擦力作用；摩擦力按基本不变的斜率增加到某一值后突然降低，而后变化呈现一定的周期性；随着滑动的逐渐进行，运动体与基体表面的温度逐渐增加而后趋于稳定，两表面存在温度差；滑动后界面平均接触压力明显下降，而后趋于平缓。

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Al–Mg合金间隙脉冲焊修工艺

沈维^a，原津萍^b，杨军伟^a，梁志杰^b

中国表面工程. 2011, 24(6): 83-86.

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针对普通脉冲氩弧焊焊接铝合金存在温度高、热变形大的问题，研发了间隙交流脉冲氩弧焊焊修工艺，并进行了试验，测试分析了堆焊层及热影响区的显微硬度、显微组织以及焊缝上标定点及试板中局部区域的温度场分布。结果表明，热影响区宽度随焊接电流的增大而增大，焊接热量输入也增多。在相同电流条件下，间隙脉冲焊接热量累积较少，热影响区小，晶粒相对细小，硬度值相对较高。与连续脉冲焊接相比，间隙脉冲焊修工艺作用到基体上的能量比较少，相对比较集中，热量累积较少，使整个热影响区的温度上升比较平缓，温度较低，晶粒相对细小，堆焊层及热影响区硬度高。

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TC2钛合金Nd:YAG激光焊接工艺及微观组织

付鹏飞, 胡芳友, 崔爱永, 赵培仲, 卢长亮, 胡滨

中国表面工程. 2011, 24(6): 87-91.

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为修复飞机TC2钛合金结构裂纹，应用YAG激光器进行了TC2钛合金的焊接实验。利用扫描电镜（SEM）和电子显微硬度仪分析了工艺参数对焊缝形貌和焊缝截面显微硬度的影响。结果表明：随着电流的升高，焊缝的熔宽逐渐增加，焊缝截面形貌由钉型向X型转变；随着焊接速度的增大，焊缝的熔宽呈减小趋势。采用电流150 A、脉宽10 ms、频率4 Hz、焊接速度2.0 mm/s的工艺参数可获得宏观质量良好的焊缝。焊缝熔合区可能为针状马氏体α′交织成的网篮组织；热影响区为75 μm左右的环形带，其组织可能是由等轴的α相和针状马氏体组成，靠近熔合线部分较之远离熔合线的区域针状马氏体数量更多且更加密集，靠近熔合线区域有逐渐减弱的再结晶，再结晶尺寸明显大于基材；焊缝截面的显微硬度呈明显的阶梯状分布，基材的硬度在310~350 HV_0.5之间，熔合区的硬度在500~600 HV_0.5之间，熔合区硬度相对于基材提高了60% 左右。

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E347L不锈钢焊带设计生产及其埋弧堆焊层性能

张心保

中国表面工程. 2011, 24(6): 92-97.

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为了替代进口EQ347堆焊用钢带，试制生产了带极堆焊用E347L焊带。介绍了其设计思路及生产技术要点，分析了焊接工艺参数和合金元素对堆焊层成形和性能的影响。生产中采用AOD炉外精炼，热锻及热轧温度低于1 250 ℃，冷轧后产品规格0.5 mm × 50 mm，尺寸偏差可控制在±0.01 mm。进行了埋弧带极堆焊试验及检测，检测内容包括堆焊层的化学成分、力学性能和耐蚀性能等。结果表明，生产的E347L焊带堆焊层化学成分完全满足相关标准的要求，180°弯曲无裂纹， FN值在5~7之间，E347L堆焊层的硬度测试结果在 204~210 HV之间，晶间腐蚀后弯曲无裂纹产生。该不锈钢焊带已替代进口焊材并用于化工工业中的加氢反应器中。

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低频磁场对轧辊埋弧堆焊组织及性能的影响

常云龙¹，梅强¹，张伟²，夏云才²，谢天男¹

中国表面工程. 2011, 24(6): 98-103.

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为提高堆焊层熔敷金属的力学性能，在轧辊埋弧堆焊过程中外加低频脉冲纵向磁场，通过对堆焊层硬度和显微组织的分析，研究了磁场参数对轧辊埋弧堆焊层金属组织及力学性能的影响规律。通过对不同磁场参数下堆焊表层试样的硬度及其组织的分析，发现低频脉冲纵向磁场的电磁搅拌作用能够影响晶粒的形核与长大过程，细化晶粒，提高堆焊层硬度，探讨了低频纵向磁场改善堆焊层金属的组织形态、细化晶粒、提高硬度的机理。试验结果表明：当磁场参数为I_p=300 A, I_b=200 A, f=5 Hz时，焊缝组织细化最为明显，晶粒尺寸减小到30.1 μm，硬度比不加磁场时提高了4.5 HRC。外加低频纵向磁场通过电弧的旋转来搅拌熔池，改变晶粒的结晶过程，使焊缝晶粒得到细化，从而提高堆焊层硬度。

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维修与再制造用TWE312R型焊接材料研制与应用

谭伟

中国表面工程. 2011, 24(6): 104-108.

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针对大拘束、Cl^-腐蚀、-10 ℃等苛刻条件下裂纹修复问题，根据维修与再制造焊接特点自主研究开发了维修与再制造用TWE312R型系列焊接材料。采用斜Y坡口小铁研裂纹试验方法研究了TWE312R16焊条焊接高硬度装甲钢的抗裂性能，结果表明：即使环境温度低至-5～-14 ℃，焊接试样的表面和断面裂纹率均为零。TWE312R型系列焊接材料已在装备维修和工模具等行业得到成功应用，在维修与再制造焊接、异种钢焊接领域显示出良好的应用前景。

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2011年, 第24卷, 第6期　刊出日期：2011-06-19

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